陸宗源

（上海天問紡織新技術研究中心，上海 200125）

瑞士立達公司制造的卡摩紡裝置，其原理科學、結構合理、制造精湛，可稱是集聚紡紗技術的顛峰之作；由于其價格高昂，故國內企業(yè)引進甚少。

從專利申請時間上分析，集聚紡技術的發(fā)展是（立達）吸風鼓式在先，（緒森）網(wǎng)格圈式在后。盡管二者結構似無相同之處，其集聚紡紗的原理卻相同。后者的改進主要是結構簡化，并可以在環(huán)錠細紗機上應用，且以價廉、易于推廣而普及。然而，后者在原理上放棄了前者諸多優(yōu)越性，從而負壓高、能耗增加，集聚區(qū)存在意外牽伸以致影響成紗質量。

卡摩紡裝置上唯一獨有的是“導流器”，雖然是一個小部件，但是其作用非凡，值得研究。

1 國內對卡摩紡導流器原理的研究

國內最早介紹導流器原理的是中原工學院的沈曉來，他認為導流器的作用是“纖維的集聚是通過氣流引導元件得到進一步的強化。該元件位于打孔吸風鼓上，以確保氣流只能從側面抽出?！保ㄈ鐖D1）［1］。

圖1 導流器原理

2008年發(fā)表的《緊密紡紗氣動凝聚結構的研究》［2］一文中，全面介紹了國外的集聚紡紗裝置，并重點分析氣流導向裝置，指出由于凝聚氣流方向基本上垂直于須條中發(fā)散纖維的凝聚方向，因而氣流能量中只有少量軸向分量有效地用于凝聚，其效能很低；這就是采用導流板的原因（如圖2）。

圖2 加設導流板前后的凝聚氣流

文獻［3］重點介紹了K44型環(huán)錠細紗機的氣流導向裝置（如圖3），并用試驗數(shù)據(jù)得出結論：“氣流導向裝置的作用是使氣流主要從兩側集聚纖維，可防止單纖維由于擴散而沒有被集聚進入紗體中，保證了各纖維以平行狀態(tài)實現(xiàn)較好的集聚……更大程度地縮小紡紗三角區(qū)”［3］。

圖3 氣流導向裝置位置和作用

總之，所有國內研究者都一致認為：氣流導向板是為了使氣流從兩側進入集聚區(qū)，其集聚效果好。

2 立達K44型、K45型環(huán)錠細紗機氣流導向的實際作用

筆者曾在立達早期產品的視頻介紹上見過“氣流截面圖”的說明。圖4中代表氣流走向的小白點來自于壓輥軸的導流板臂，當氣流進入導向器后，經過吸風鼓表面進入吸風組件。這說明K44型細紗機氣流導向裝置是從頂部輸入氣流的，這是為了阻止空氣從兩側進入集聚區(qū)。那么，過去國內一直認為空氣從兩側進入以加強集聚效果的理解，這并不是立達公司設計者的本意。

圖4 K44型環(huán)錠細紗機氣流導向

在最近立達公司介紹K45型環(huán)錠細紗機的視頻廣告中，看到了氣流導向器的截圖如圖5所示。清楚表明：氣流是從導向器頂部的兩個孔進入。導流板兩側和抽氣鼓表面的間隙很小，阻力大，基本沒有空氣進入。

圖5 立達K45型細紗機氣流導向器

圖6 賽絡集聚紡氣流導向器

K45型賽絡集聚紡的導流板（見圖6），中間只有一個進氣孔，氣流從兩個須條的中間通過。如果按照參考文獻［2］的理解，氣流都是從兩須條一側經過，則垂直方向的氣流就完全無集束作用，那么氣流利用率等于零；而實際上K45型賽絡集聚紡的成紗質量是非常好的，所需的負壓也比網(wǎng)格圈式集聚紡小得多。由此可見氣流導向板的工作原理。

現(xiàn)在可以明確的是，早期的K44型導向氣流有專用的進氣管從壓輥軸到導流板，導流板的一個作用是向集聚區(qū)空間輸入潔凈空氣，集聚區(qū)與車間環(huán)境隔離，不讓含有灰塵和微纖維的車間空氣進入集聚空間；而K45型細紗機導流板上無進氣管［4］，這表明現(xiàn)代車間空氣比較干凈，輸入潔凈空氣的措施不必要，進氣管被簡化了。導流板的作用主要是使集聚區(qū)氣流和車間空氣適當隔離，以保護集聚氣流的穩(wěn)定。

3 集聚紡氣流集聚原理分析

為什么需要保護集聚區(qū)氣流的穩(wěn)定，就需要研究集聚氣流的運動特性。

根據(jù)流體力學的原理，氣體流動是因為有壓強梯度，氣體向壓強小的方向流動，氣流的強弱是梯度的大小，因此氣流和壓強梯度是完全一致的矢量。

壓強梯度一般用等強線表示（圖7中的細實線），同一條等強線上的壓強相同；相鄰兩條等強線的壓強有一定差異（事實上是連續(xù)變化的，為了表示清楚，采用了等差級數(shù)的間隔表示）。壓強梯度方向是等強線的法線方向（垂直），指向壓強小的區(qū)域；壓強梯度大小是相鄰兩條等強線的距離，距離越小，壓強梯度越大。

圖7 集聚氣流場等強線

集聚紡紗集聚區(qū)的氣流源于負壓管內部的低氣壓，在集聚槽口上形成了一個壓強梯度場，這不需要任何機械限制。在無任何阻礙（無須條時）的情況下，每一點上的壓強梯度方向都指向集聚槽，梯度大小向遠離氣槽方向遞減；所以，氣流都向集聚槽集中，槽口上氣流最強，向外逐漸減弱直至為零。這就是集聚槽氣流場，其等強線都是在以集聚槽為圓心的半圓形截面上，如圖7a）所示。

當集聚槽上有須條存在時，由于集聚槽的傾斜，須條總是靠向一邊，使空氣阻力發(fā)生變化：靠須條一邊的氣流阻力變大，壓強梯度減小，等強線變得稀疏；而另一邊正好相反，等強線變形為長軸向須條方向傾斜的橢圓。從圖7b）明顯可以看出氣流方向不是完全指向中心，而是圍繞須條形成的旋轉氣流場，正是這個旋轉氣流推動須條纖維的移動、集聚。由此可見，集聚槽傾斜的主要作用是產生旋轉的集聚氣流場，樹立這一概念非常重要。

負壓越大，這個旋轉流場的范圍也越大，須條周圍的內層最強，越向外層則越弱。實際上，起集聚作用的只是內層氣流，只要它有足夠的強度，就能完成纖維集聚。然而，氣流運動的連續(xù)性使它帶動外層氣流的旋轉，集聚氣流成為一個氣流團。它能保護內層有效旋轉氣流的穩(wěn)定，不受外界氣流的干擾。

由于立達卡摩紡的導流板使集聚空間和外界隔離，更好地保護集聚區(qū)的旋轉氣流，因此稱為“保護罩”也更為確切（見圖8）。

圖8 K45型細紗機的導流板

如果認為導流板是迫使氣流從兩側進入集中到須條并發(fā)生“沖撞”，而且接著一個90°的急轉彎（見圖1）。從流體動力學原理來看是非常不利的；因為在須條附近發(fā)生激烈的湍流，勢必會徹底地破壞旋轉氣流。

4 K46型細紗機導流器的創(chuàng)新

在第17屆上海國際紡織工業(yè)展覽會上，立達公司展出了K46型細紗機的集聚紡紗裝置模型，將系列導流元件進行了改革［5］。

K46型細紗機的集聚紡紗裝置，除了吸風鼓的形狀和尺寸與K45型相同外，其吸風插件、氣流導向器都有很大的改革。吸風插件命名為“光明”（Bright），圖9所示的集聚槽無斜度，出風口縮小了一半多。圖10為K46型細紗機導流板。

圖9 K46型細紗機集聚紡紗裝置

圖10 K46型細紗機導流板

K46型細紗機導流器不再是K45型導流器頂上有一個或兩個進氣孔，而是變成由兩片透明有機玻璃單片相互插入的組合體，進氣通道改為迷宮式的、方向相反的兩個斜長孔，空氣進入要經過一個曲折的通道。

其最大的創(chuàng)新是：氣流經由迷宮式的導流器通道，到達吸風插件“光明”上空的集聚區(qū)的氣流形成“環(huán)型氣流”（Quality into ring through air guide element），因此它就不需要采用集聚槽傾斜的形式了，這就為進一步降低能耗創(chuàng)造了條件。

須條纖維的被集聚，主要有兩個動作：一是須條的寬度縮?。欢峭饴兜睦w維端捻入紗體，從而使紗線光潔。網(wǎng)格圈式集聚紡是依靠集聚槽的傾斜，形成旋轉氣流來完成第二個動作（纖維端捻入）；而它又帶來了第三個動作，就是推動須條整體位移。

這三個動作都需要能量，也都來自于氣流。K46型的集聚區(qū)節(jié)能設計思路，就基于對三個動作的精打細算：

a） 由導流器產生旋轉氣流，取消了集聚槽的傾斜，集聚氣流就不需要推動須條整體平移（這部分能量為主要部分），節(jié)約了能量；

b） 開放式集聚區(qū)（網(wǎng)格圈式）的旋轉氣流必然要帶動一個氣團一起轉動，氣團保護中心旋轉氣流的穩(wěn)定消減了車間大氣流動的沖擊；因為這種沖擊很多，源于巡回吹風裝置和人工機臺清潔，然而，K46型的導流器使集聚空間和車間空間基本隔離，因此不需要有外層氣團保護，可以使運動氣團減到最小，達到節(jié)能效果；

c） 集聚區(qū)被約束在一個極小的空間，旋轉氣流主要任務只是將纖維集中和將須條外露的纖維端捻入主體，而這種纖維端數(shù)量很少，這兩個運動需要的能量很少（只需要推動部分纖維），旋轉氣團中的有效成分實際上很少；因此，這種隔離方式可以極大地減少氣體流量，從而可以進一步減小負壓。

據(jù)立達公司稱，在集聚區(qū)、包括吸風鼓的大截面空氣通道，結合新型導流器，可以節(jié)省17%的能耗；而整個節(jié)能集聚紡紗裝置（包括吸風管道、廢棉笛管和風機）節(jié)能可高達63%。

5 結語

在不到10年的時間里，立達公司對集聚紡裝置進行了多次改造，目的即為了降低能耗。特別是K46型細紗機，稱之為“以最低能耗獲得完全緊密紗線”的集聚紡細紗機。

立達公司宣稱“如果考慮生產成本非常低，新的K46型雙面吸風系統(tǒng)使生產每千克紗的能耗更低；因此，現(xiàn)在用高能耗的網(wǎng)格圈式集聚紡代替K46型成為不必要?！币驗榧徔椘髽I(yè)購置設備的一次性投入大，可以很快地從生產成本降低中得到補償，而這是長期受惠的利潤來源。

立達不斷地創(chuàng)新，很值得進入全民創(chuàng)新時代的我國從事集聚紡的同仁學習，且最值得我們學習的是對氣流集聚原理基礎理論研究的步步深入，這是機構創(chuàng)新取之不盡的源泉。

［1］沈曉來.立達K44緊密紡裝置主要元件的作用［J］.上海紡織科技，2005（2）：27－28.

［2］朱鵬，倪遠.緊密紡紗氣動凝聚結構的研究［J］.棉紡織技術，2008，36（11）：22－25.

［3］王超，謝春萍，蘇旭中，等.緊密紡集聚區(qū)氣流導向裝置的應用效果［J］.棉紡織技術，2011，39（8）：15－17.

［4］Syrien Harald Schwippl.在卡摩紡紗機K44上采用天絲超細纖維和棉纖維加工織造用COM4?卡摩紗的特性研究［J］.Technology SYS，2007（April）.

［5］RZETER.K46Compact Spinning Machine——For fullycompacted yarns with lowest energy consumption［Z］.